빛으로 RNA 이동과 단백질 합성 조절
빛으로 RNA 이동과 단백질 합성 조절
  • 함예솔
  • 승인 2020.02.26 23:30
  • 조회수 9759
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요약

 

빛으로 RNA 이동과 단백질 합성을 조절하는 기술이 나왔습니다. 라리아트 올가미(LARIAT, Light-Activated Reversible Inhibition by Assembled Trap) 기술과 RNA 이미징 기술을 융합해 mRNA-LARIAT 기술을 개발했습니다. 빛의 유무에 따라 라리아트 올가미에 전령RNA를 가두거나 분리하고 이를 실시간으로 관찰하는 것이 가능합니다. 이는 향후 암세포 전이, 신경질환 등 전령 RNA관련 질병 연구에 응용 가능할 것으로 기대됩니다.

단일가닥 RNA. 출처: Fotolia
단일가닥 RNA. 출처: Fotolia

빛으로 세포 내 특정 RNA 이동과 단백질 합성을 조절할 수 있는 기술이 개발됐습니다. 기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단 허원도 초빙연구위원(KAIST 생명과학과 교수), 이상규 연구위원 연구팀은 빛을 이용해 유전정보를 전달하는 전령 RNA와 단백질을 생성하는 리보솜의 결합을 제어해 단백질 합성을 조절하는데 성공했습니다. 해당 연구는 <Nature Cell Biology>에 게재됐고 <Nature Reviews Genetics>에 하이라이트 논문으로 소개됐습니다.

mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 전령RNA(mRNA)의 이동과 단백질 합성을 조절하는 모식도. 출처:IBS
mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 전령RNA(mRNA)의 이동과 단백질 합성을 조절하는 모식도. 출처:IBS

유전정보 전달하는 전령RNA 보려면?

 

DNA의 유전 정보는 RNA를 거쳐 단백질로 전달됩니다. 이 때 중간에서 유전 정보를 전달하는 RNA를 '전령RNA'이라고 합니다. 단백질 생성공장인 리보솜은 전령RNA의 유전 정보를 읽어 단백질을 합성합니다. 단백질 합성에 있어 전령RNA는 DNA 유전 정보의 중간 전달자, 리보솜은 생성공장, 단백질은 완성품인 셈입니다.

 

이전에는 화학물질을 처리해 전령RNA를 조절하는 방법으로 모든 전령RNA를 한꺼번에 조절하기 때문에 특정 종류의 전령RNA만을 세밀하게 조절하기 어려웠습니다. 이번 연구에서는 살아있는 세포에 청색광을 비춰줌으로써 세포 내 특정 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 시공간 특이적으로 조절하는 mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 개발했습니다.

  • RNA(Ribonucleic acid)

모든 생명체에 필수적인 생체고분자물질로 생명 유지에 필요한 모든 유전 정보를 포함하고 있습니다. 유전자 본체인 DNA로부터 만들어지기 때문에 DNA 유전 정보의 복사본이라고 할 수 있습니다.

빛의 유무에 따라 전령RNA 실시간 관찰 가능

mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 단백질 합성 저해. 출처: IBS
mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 단백질 합성 저해. 출처: IBS

연구팀은 이전 연구(Nat Methods, 2014)로 개발한 라리아트 올가미(LARIAT, Light-Activated Reversible Inhibition by Assembled Trap) 기술과 RNA 이미징 기술을 융합해 mRNA-LARIAT 기술을 개발했습니다. mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 이용하면 빛의 유무에 따라 라리아트 올가미에 전령RNA를 가두거나 분리하고 이를 실시간으로 관찰하는 것이 가능합니다.

  • 라리아트 올가미(LARIAT) 기술

세포에 청색광을 비추면 단백질들이 복합체를 형성해 라리아트 올가미(LARIAT)를 만들어 특정 분자를 가두는 기술입니다.

  • RNA 이미징 기술

전령RNA에 형광단백질을 표지하고 현미경으로 관찰함으로써 세포 내 전령RNA 이동을 시각화하는 기술입니다.

연구팀은 헬라 세포에 청색광을 비춰주면 라리아트 올가미에 전령RNA가 가둬지면서 리보솜과 격리되고 단백질 합성이 감소함을 관찰했습니다. 이어 청색광을 차단하면 라리아트 올가미로부터 전령RNA가 빠져나오면서 리보솜과 단백질 합성을 다시 시작함을 확인했는데요. 이는 mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 빛의 유무에 따라 매우 빠르고 가역적으로 단백질 합성을 조절할 수 있음을 의미합니다.

mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 단백질 합성 저해. 출처: IBS
mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 단백질 합성 저해. 출처: IBS

대부분의 단백질은 전령RNA와 리보솜에 의해 합성된 후, 각 단백질이 작용하는 위치로 이동합니다. 하지만 전령RNA가 라리아트 올가미에 가둬지면 전령RNA가 향후 단백질이 작용하는 위치까지 이동하는 것이 멈춰지고 단백질 합성이 차단됩니다. 이와 같이 mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 이용해 빛으로 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 조절하면 살아있는 세포 내 RNA의 위치와 합성되는 신생단백질의 기능을 보다 효율적으로 연구할 수 있습니다.

  • 헬라 세포(HeLa cell)

사람의 자궁경부암 조직에서 얻어낸 세포계(cell line)입니다. HeLa는 환자 이름의 약칭입니다. 현존하는 인체에서 유래한 조직배양주 중 가장 오래 전에 분리한 것으로 세계 각지의 연구실에서 배양되며 유지되고 있습니다. 바이러스학, 암연구, 분자생물학 등의 연구재료로 널리 사용되고 있습니다.

베타액틴(β-actin) 단백질과 세포의 이동 기능과의 상관관계.  출처: IBS
베타액틴(β-actin) 단백질과 세포의 이동 기능과의 상관관계. 출처: IBS

연구팀은 베타액틴(β-actin) 합성에 관여하는 전령RNA에 mRNA-LARIAT 기술을 적용했습니다. 베타액틴 단백질 합성에 관여하는 전령RNA에 청색광을 비추니 세포 골격 구성 및 이동 기능이 제대로 이뤄지지 않음을 관찰했습니다. 또한 베타액틴 단백질 합성 효율이 최대 90%까지 감소됨을 확인했습니다. 

허원도 교수. 출처: IBS
허원도 교수. 출처: IBS

 

 

허원도 교수는 "mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 활용하면 암세포, 신경세포 등 다양한 세포 내 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 빛으로 조절할 수 있다"며 "앞으로 암세포 전이, 신경질환 등 전령 RNA관련 질병 연구에 응용 가능할 것"이라고 밝혔습니다.

 

 

 

 


##참고자료##

 

  • Na Yeon Kim et al., "Optogenetic control of mRNA localization and translation in live cells Nature Cell Biology",Nature Cell Biology(2020)
  • Reversible protein inactivation by optogenetic trapping in cells. Lee et al. Nat Methods. 2014 Jun;11(6):633-6. 

 


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